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2008-1-9 阅读(5261)
木材干燥的国内外现状与发展趋势 张璧光1 谢拥群2
（1 北京林业大学材料科学与技术学院100083 2 福建农林大学材料工程学院）
摘 要：阐述了常规蒸汽（热风）干燥、除湿（热泵）干燥、真空干燥、微波与高频干燥等各种木材干燥技术的国内外现状，以及我国的木材干燥技术与水平的差距。介绍了国内外木材干燥的理论研究动态。指出了今后木材干燥技术的发展趋势。
关键词：木材干燥；国内外现状；研究动态；发展趋势
International present situation and developing trends of wood drying
Zhang Biguang1 Xie Yongqun2
（1 School of Material Science and Technology of Beijing Forestry University 100083；
2 School of Material and Engenering of Fujian Agriculture and Forestry University ）
Abstract：All kinds of international wood drying technologies， like conventional steam (hot-air) drying， dehumidify (heat-pump) drying， vacuum drying， microwave and high frequency drying and so on are elaborated in this paper. Also it points out the gap of drying technology between our nation and internation. The researching dynamic state of wood drying is presented here. The writer show us the developing trends of wood drying technology in the future as well.
Keywords：wood drying；international；present situation；researching dynamic state；developing trend
1引言
随着社会的进步，人们崇尚自然。回归大自然的心情日益迫切，使木质家具及木建筑与装饰材料倍受喜爱。另一方面，当今世界正面临着森林资源日益减少所带来的环保和生态问题。因此，如何合理有效地利用有限的木材资源显得更为重要。木材干燥是保障和改善木材品质，减少木材降等损失、提高木材利用率的重要环节。同时，木材干燥也是木质品生产过程中能耗zui大的工序，在我国约占企业总能耗的60%~70％[1]。因此，木材干燥的总目标是在保障干燥质量的前提下，不断的探索如何加快干燥速度，减少能耗和干燥成本。国内外木材干燥技术的应用研究与基础理论研究，都围绕着木材干燥质量、速度和成本问题，寻求三者的协调和平衡点的优化组合。
我国是一个少林国家，人均森林蓄积量为9.048m3，只有世界人均72 m3的12.6％[2]。同时我国木材加工业普遍存在节能意识差，管理粗放，一次能源利用率仅30％左右，为发达国家的4~6倍[3]，而且我国一些偏远地区由于干燥设备和工艺落后，木材干燥质量差，能耗更大，由干燥缺陷引起的降等损失十分惊人，木材资源的浪费现象十分严重。因此我国木材干燥界的从业人员和科研工作者的责任十分重大。
2木材干燥技术的国内外现状
2.1常用的人工木材干燥方法
迄今已实现工业化的常用人工木材干燥方法包括：常规干燥、高温干燥、除湿干燥、太阳能干燥、真空干燥、高频干燥，微波干燥及烟气干燥等。其中常规干燥是指以常压湿空气作干燥介质，以蒸汽、热水、炉气或热油作热源，间接加热空气，干燥介质温度在100℃以下。高温干燥指干燥介质温度在100℃以上，其干燥介质可以是常压过热蒸汽，也可以是湿空气，但以常压过热蒸汽居多。常规炉气干燥和烟气干燥都配有燃烧木废料（或其它燃料）的燃烧炉，以燃烧产生的烟气作热源，但烟气干燥是炉气干燥的初级阶段，一般是指土法建造的干燥窑，以燃料燃烧生成的烟气直接或间接加热干燥木材。除湿干燥（又称热泵干燥）与常规干燥的干燥介质相同，都是湿空气，二者区别在于空气的降湿方式。常规干燥空气是采用开式循环，即定期从干燥室排出一部分湿度大的热空气，同时从外界吸入等量的冷空气，故常规干燥的换气热损失比较大。除湿干燥时，湿空气经过除湿机的制冷系统，冷却脱湿—加热—再回到干燥室，进行空气的闭式循环。湿空气脱湿时放出的热量，依靠制冷工质回收，又用于加热空气，故除湿干燥的节能效果比较明显，它与蒸汽干燥相比，其节能率一般在40%以上。
高频和微波干燥都是以湿木材作电介质，在交变电磁场的作用下使木材中的水分子高速频繁的转动，水分子之间发生摩擦而生热，使木材从内到外同时加热干燥。这两种干燥方法的特点是干燥速度快，木材内温度场均匀，残余应力小，干燥质量较好。高频与微波干燥的区别是前者的频率低、波长较长，对木材的穿透深度较深，适于干大断面的厚木材。微波干燥的频率比高频更高（又称超高频）但波长较短，其干燥效率比高频快，但木材的穿透深度不及高频干燥。
木材真空干燥时，木材内外的水蒸汽压差增大，加快了木材内水分迁移速度，故其干燥速度明显高于常规干燥，同时由于真空状态下水的沸点低，它可在不高的干燥温度（如70℃左右）下达到较高的干燥速率、干燥周期短、干燥应力小、干燥质量好。
木材太阳能干燥一般是利用太阳能直接加热空气，依靠风机使空气在太阳能集热器和干燥室材堆之间循环。一般有温室（暖房）型和集热器型两种。前者将集热器与干燥室做成一体，后者则将集热器和干燥室采取分体式布置。其容量较温室型大，布置也灵活。太阳能干燥由于受气候条件限制，常与炉气、蒸汽、热泵等联合干燥。
由于真空、高频、微波及太阳能干燥等所占分额均小于3%，本文着重介绍常规和除湿干燥现状。
2.2常规干燥的应用
2.2.1应用概况
所有的木材干燥方法中，以蒸汽为热媒的常规干燥（俗称常规蒸汽干燥），由于具有性能稳定、工艺成熟、干燥容量大、干燥质量较好，易操作等优点，目前在世界各国的木材干燥设备中仍占主导地位，在我国占80%以上[3.4]。以炉气为能源的常规干燥，在我国南方非采暖地区的中小型木材厂中占有相当的比例，由于它能处理厂内的木废料，又能降低干燥成本，故受到一些干燥量不太大的工厂的欢迎。土法建造的烟气干燥室，在我国及一些不发达国家中，环境要求不高的地区仍较盛行。热水为热源的常规干燥，由于热水锅炉的价格比蒸汽锅炉低得多，故在一些不需要高温干燥，且干燥量不大的工厂有上升的趋势。热油为热源的常规干燥， 目前在国内外的应用都占少数。
我国的常规干燥设备中国产设备占80%左右[3]，其中炉气干燥几乎全部为国产设备。国内具有一定规模的常规干燥设备生产厂家有20多家，在设备的设计水平、技术性能上已接近国外产品，某些方面还具有自己的特色，符合国情需要，国内干燥设备的质量完满足木材干燥生产的要求[3]。且由于国内外产品差价大，因此国内生产厂家和企业在选择干燥设备时，应立足于国内，国内产品。
2.2.2我国与*水平的差距
我国在常规干燥设备的设计方面与水平相当。木材干燥工艺研究方面比国外更全面，可以认为某些方面处于*水平。我国生产的常规干燥设备与*的干燥设备相比，主要的差距在于：①检测与控制系统的精度差，可靠性差。主要是平衡含水率、相对湿度与木材含水率的测试误差大。②蒸汽阀、疏水器等零配件质量差，合格率低。国产蒸汽阀合格率仅30％左右[3]，使蒸汽泄漏严重，能耗大。③干燥室热力计算粗放，通常按经验，每m3材配3－6 m3换热面积。④设备加工粗糙，造型不美观。⑤干燥窑密封性和保温性能差，有些干燥室散热损失高达20％[3]。⑥干燥设备市场的无序竞争，以降价吸引用户导致产品质量下降[5]。
2. 3 除湿干燥应用
除湿干燥由于节能*、干燥质量好、用电作能源不污染环境、技术比较成熟，目前已成为常规干燥之后处于第二位的干燥技术[3] [4]，它在加拿大、日本、意大利及美、英、法等国木材干燥设备中，已占有相当大的比例。我国自1980年后开始引进国外的除湿机，80年代中期开始由仿制国外产品，逐渐走上独立设计制造除湿机。进入90年代后，我国除湿机的制造和应用有了较大的发展，在南方的普及率优于北方。目前我国生产除湿机厂家有8—10个，据粗略的估计，我国正在应用的除湿机的总干燥能力约占全国总干燥能力的1/10[6]。除湿干燥机的国产设备大约占70%左右，我国进口的除湿机主要来自意大利、加拿大、荷兰，日本及英国等国家。
从整体来看，我国除湿干燥机的生产水平与国外尚有一定差距，主要在外观设计、加工精度、安装质量、电磁阀、膨胀阀等零部件质量差。但从设计水平来看，我国某些产品的性能已达到水平，如北京林业大学设计的RCG系列中温、高温双热源除湿机，由于它在制冷剂过冷方式，热泵进风系统的设计及二次风补充方式等方面有创新，使除湿机的节能率提高15—20%，而制造成本则降低5—10%[6]。它因此而获得了国家，并于1996年至1998年间先后获得了北京市、林业部和国家的各项奖励。
我国生产的一些性能较好的除湿干燥机，如北京林业大学与原北京冷冻机厂联合研制的RCG系列热泵除湿干燥机、上海桑菱环境能源所生产的SRG热泵干燥机，不仅在国内销售而且还有部分出口国外。
影响除湿干燥推广的原因有以下几个方面：
①除湿干燥温度低，干燥周期长，目前常用的制冷工质为R22和R142b。两者相应的干燥室zui高温度分别为低于50℃和65℃，而常规干燥的zui高工作温度一般在80℃－90℃。除湿干燥要比常规干燥周期长1/3到1/2。
②单纯的除湿干燥一般用电加热作辅助热源，除湿机只能回收干燥室排气的热量。干燥室的升温依靠电加热器，电耗高。故除湿干燥在电力紧张电价高的地区节能不节钱。
③大部分木材加工企业的节能意识差，对除湿干燥节能的原理不太了解。
3木材干燥的理论研究动态
林联组织（IUFRO）木材干燥组每两年召开一次学术会。2005年8月在我国南京召开第9届，每届出一本论文集。我国木材干燥界自1987年起每两年召开一次学术会，至2005年10月在北京召开第十届，共出论文集7本，共收集论文近500篇。纵观近几届和国内木材干燥学术会论文集的内容，可以看出和国内木材干燥研究的动态[7，8]。
3.1木材干燥的数学模型与数值模拟
建立描述木材干燥过程的数学模型及其求解一直是木材干燥界理论工作者研究的主要课题之一，但由于木材构造的复杂和其中水分存在状态的特殊性，增加了建立数学模型及其求解的难度。
木材是一种复杂的含湿多孔弹性生物体，其水分存在于木材内纵横交错的各级毛细管系统中，木材中水分存在的形式可粗略的分为自由水和吸着水两大类。当自由水蒸发完，而吸着水尚处于饱和状态时的木材含水率称为纤维饱和点，用FSP表示。自由水存在于细胞腔及细胞内的间隙中。木材内自由水的迁移的驱动力主要依靠木材内外的水蒸气压差及毛细管张力，水分通过渗透以容积流的形式迁移。吸着水存在于细胞璧组成的微毛细管系统中。常规对流干燥条件下，吸着水迁移的驱动力主要靠浓度梯度（即含水率梯度）引起的分子扩散，可以采用傅立叶导热方程和菲克（A.Fick）扩散定律建立热、质传递模型。然而在真空、微波干燥过程中，吸着水的驱动力是水蒸气压力梯度，不适于用菲克定律来描述水分的扩散。
由此看出木材干燥的数学模型不仅和干燥方式有关，而且还与木材中水分存在的形式和木材的内部构造及材性有关。因此要建立一个比较满意的数学模型及求解的的难度较大。
3.2木材干燥过程的传热传质
除研究干燥介质与木材间的热、质传递外，重点是研究木材内部的热、质传递，它包括：
①木材构造与材性（针叶材与阔叶材） 木材密度、纹理方向（纵向、弦向、径向）、早材与晚材、边材与心材对水分迁移与热量传递的影响。
②木材不同含水率阶段（FSP以上或以下）及不同干燥方法，木材内水分迁移的驱动力。
③外界干燥参数（温度、相对湿度、压力、风速）对内部热、质传递的影响。
④热扩散与质扩散的相互影响即热质耦合问题。
3.3干燥新技术与工艺
①新技术如声波干燥木材、激光钻孔干燥木材、加压干燥木材、正、负压交替干燥及各种联合干燥等。
②干燥新工艺包括近年来出现的各种速生材、难干材的干燥工艺的研究。
③汽蒸、微波及滚压等各种预热处理工艺，提高干燥速度的研究。
④干燥过程中的防变色（如橡胶木、泡桐）和脱脂（如马尾松）工艺的研究。
3.4木材干燥应力
①干燥过程中应力的发生与发展变化。
②干燥参数（温度、压力、含水率梯度等）对应力的影响。
③不同热处理方式对应力的影响。
④干燥缺陷与干燥应力的关系。
3.5干燥过程的检测与控制
①木材干燥应力检测是控制干燥质量的关键。干燥应力的无损在线检测是实现全自动控制的前提。
②木材含水率检测新技术，如CT扫描、伦琴射线法，γ射线法测含水率分布。
③木材干燥控制与管理，如专家诊断系统和多媒体管理系统。
3.6木材干燥室的优化设计
①干燥室空气动力循环的的优化。
②干燥室加热设备与风机配置的优化。
3.7木材干燥对环境的影响
近十几年来由于环境问题越来越受到重视，国外和国内逐渐开始研究不同的干燥方法、不同能源及不同干燥参数条件下，干燥室排放物对环境的影响。
4 木材干燥技术的发展趋势
4.1常规蒸汽干燥仍占主导地位
常规干燥由于它具有技术成熟、适应性强等诸多优点，预计在21世纪以至今后相当长一段时间仍将占主导地位[3、6]，而且将出现一些大、中型专营木材干燥的企业。常规干燥的发展目标是、、低成本，也就是在时间、质量、费用三者之间寻求平衡点或者说*组合方案[33]。要实现上述目标，常规干燥必须在干燥室设计、干燥工艺和监测控制与管理等几方面向性与高科技方向发展：
4.1.1干燥室优化设计
干燥室设计的性即优化设计，应该是建立在干燥室设计数据库的基础上，开发计算机辅助设计(CAD)以代替传统的手工设计。这里所指的干燥室CAD设计并非一般的计算机绘图，而是将计算机科学与干燥技术有机的结合起来，它的计算机模块是由一系列封装好的功能模块组成，如包括工艺计算、热力计算、空气动力计算，设备投资与干燥成本计算等功能。它可以根据用户要求的干燥室类型，被干材的基本参数与干燥室总投资等要求，自动绘出干燥室的设计草图供用户选择[62]。只有通过这种现代化的手段，才能真正实现木材干燥室的优化设计或设计。
4.1.2干燥工艺的优化
木材干燥的质量和速度在很大程度上依赖于干燥工艺。制定干燥工艺，也就是规定某一种木材在每一个干燥阶段， 干燥介质的温度和相对湿度(或干、湿球温差)目前制定的干燥工艺的方法（试验）基本上属于在实验基础上的经验总结。这种制定干燥工艺的方法， 其优点是简单、可行；缺点是费时、费力，精度差。优化工艺参数的目的，就是在保证干燥质量的前提下，尽快提高干燥速度缩短干燥周期，以降低干燥能耗和成本。为达到这一目标，国外和国内的学者都提出了以临界干燥参数，即临界干燥应力或临界含水率梯度作为控制干燥过程和制定干燥工艺的约束条件。所谓临界干燥参数是指引起干燥缺陷的转折点参数。这种以临界干燥参数为依据控制干燥过程的方法迅速、准确、容易实现自动控制。虽然这种方法的实施还有许多问题尚待解决，但它是今后发展的方向。
4.1.3干燥过程的自动化、现代化监测控制与管理
木材干燥过程的监测与控制在美国、德国、加拿大等发达国家大多实现了半自动控制，少部分实现了全自动控制。而在我国及欠发达国家中，大多数木材干燥室仍依靠操作人员凭经验控制干燥过程，从而导致干燥质量不易保证，干燥能耗偏高。今后的发展趋势是逐渐由手工操作转向半自动、全自动控制。干燥过程全自动控制的关键及难点在于干燥应力和含水率梯度的在线检测，目前已有的检测方法都存在一定的缺陷，今后干燥过程控制的重点在于解决控制参数在线测试精度这一难题。同时，现代化管理技术，如专家诊断系统和多媒体管理系统的技术将逐渐在木材干燥行业实施。
4.2 除湿、真空、微波及高频干燥将呈增长趋势
除湿、真空、微波及高频干燥都以清洁的电作能源，又有各自的特点，已经呈现了增长趋势。太阳能干燥虽然是可再生的清洁能源，但由于间歇性供热等弱点，估计在短期内也不会有明显的增长。以日本为例，日本在1991~1995年间对1648间干燥室[4]统计的结果，其中蒸汽干燥、除湿干燥、真空干燥，太阳能干燥及其他干燥分别占81.3%、9.2%、5.3%、1%及3.2%。然而到2000年日本木材干燥协会对2830间干燥室统计的结果， 上述几种干燥方法的比例分别变为64.5%、26%、2.7%、0.8%及6%。从日本的统计数字看，除湿干燥的增长比较明显，但除湿干燥温度低，一般用作预干的较多。另外蒸汽干燥室一般容量较大，如果按干燥容量计，日本2000年蒸汽干燥占70%左右。从表面上看日本真空干燥似有下降趋势，实际上近年来，日本的高频—真空、微波—真空联合干燥有所增加，在统计中将这种联合干燥列入其他项目中了。
真空过热蒸汽干燥时，木材表面处于湿润状态，干燥应力小，干燥质量更优于真空热风干燥，正如A?S?Mujumdar教授在撰文中[63]指出：真空过热蒸汽干燥是一种创新技术， 具有潜在的率。因此，预计这种干燥技术今后在干燥厚的硬阔叶材方面有较好的发展应用前景。
今后工业用材中硬阔材、难干材和容易出现干燥缺陷的速生材将逐渐增多，而高频和微波加热时，木材内温度分布比较均匀，应力和变形很小，因此对于干燥大断面的这类木材更有其优越性，故有一定的发展前景。近年来微波—真空、高频—真空干燥因兼有二者的优点，可以在低温下实现快速干燥厚板难干材，因此工业应用前景较好。
4.3 组合干燥技术是今后发展的重点
组合干燥符合干燥技术的创新发展趋势。因为每一种干燥方法都有各自的优点和适用范围， 组合干燥正是取其优点而避其缺点。现以除湿干燥与常规蒸汽组合干燥为例，首先用蒸汽热能对木材预热，避免了采用除湿干燥时用电加热预热而带来的升温慢，电耗高的缺点。进入干燥初期至中期阶段，干燥室的排湿量大，此期间采用除湿干燥回收干燥室排气的余热，可以明显地降低干燥的能耗，与蒸汽干燥相比，其节能率在40%以上[59]。在干燥后期，当干燥室排湿量很小时，则用蒸汽干燥，可提高干燥室温度，加快干燥速度，缩短干燥周期。又如日本采用高频与常规蒸汽组合干燥113mm 113mm的方柱柳杉，与单纯蒸汽干燥相比，干燥时间快了4倍多，而干燥成本(包括设备、能耗和人工费)降低了3%[4]。 此外，还可能有高频—蒸汽、真空—微波、微波－对流、真空—除湿、太阳能—蒸汽、太阳能—热泵除湿等各种组合干燥。
4.4 木材干燥生产的规模化和专业化
木材干燥生产只有达到一定的经营规模后才有可能采用*和现代化的管理系统。木材干燥质量才有可靠保障。同时木材干燥生产有了一定规模，干燥节能和环保问题才会引起重视。而且集约化的生产有利于降低干燥成本，使干燥生产进入良性循环。一些发达国家如美国、加拿大等都有专营木材干燥的公司[64]，即公司根据用户订货要求干燥不同规格的板材或方材。而各种小家具厂不必自备木材干燥室，既降低成本又保证家具质量。近几年来我国的广东省深圳和东北的绥芬河地区及北京市都出现了专业化的木材干燥厂。这是一件可喜的现象。今后建议在木材采伐区附近和进口材口岸附近建立专业化的大型木材干燥厂，对木材进行预干后再发送至用户所在地的工厂干燥到所需的终含水率，可明显降低木材的降等损失和运输成本。
5 结束语
从木材干燥的国内外现状和发展趋势看，常规干燥在目前乃至今后相当长一段时间内，仍占主导地位。除湿（热泵）干燥、真空干燥、微波与高频干燥以及太阳能干燥等都将在各自的适用范围内有一定程度地发展。各种组合干燥技术是今后发展的重点。木材干燥生产的规模化和专业化是今后发展的方向之一。木材干燥的节能和环保问题将日益受到重视。今后木材干燥技术的发展更加依赖于干燥的理论研究和高科技。同时*的实施还依赖于现代化的信息管理系统。总之现代化的木材干燥技术是一项集多学科的系统工程，需要联合攻关不断完善。
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